PAGE17設計題目：碳鋼化學鍍鎳工藝研究學生姓名：所在院系：機電學院所學專業：機電技術教育導師姓名：完成時間：摘要本文主要通過對聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA,俗稱有機玻璃)表面進行預處理：去應力——除油——粗化——敏化——活化。去應力工藝使有機玻璃表面能均勻金屬化，并且結合力良好，這里使用化學的方法進行去應力；有機玻璃表面是疏水的，這使得在其表面進行化學處理發生困難。為了使后面的各項工序順利進行，除油是必不可少的工序，它可使粗化過程得到最佳效果；有機玻璃表面光滑,雖然經過前面的除油工序表面已無油污,但光滑的表面是無法得到結合力良好的鍍層的，因此必須進行粗化處理,使表面失去原來的光澤,變成均勻細致的毛面；敏化的目的是為了在非金屬表面建立起以貴金屬為核心的催化中心準備條件，因此敏化劑也還是還原劑；在進行活化工藝時，考慮到活化方法的多樣性，本實驗采用多次試驗的方法以選擇最優方案。預處理后采用含穩定劑、緩沖劑及絡合劑配合使用的低溫酸性化學鍍的方法,在有機玻璃表面得到鎳鍍層。該工藝具有沉積溫度低(60～70)℃,鍍速高,鍍液穩定等特點。實驗結果表明：該鍍層與基體結合力良好，耐磨性、耐蝕性良好。關鍵字：有機玻璃,預處理,化學鍍,鎳鍍層。AbstractInthispaper,mainlythroughthepolymethylmethacrylate(PMMA,commonlyknownasplexiglass)surfacepretreatment:tostress-removal-ofcrude-sensitization-activation.Tostresstheplexiglasssurfaceofmetalcanbeuniform,andagoodcombinationofpower,wheretheuseofchemicalmethodstostress;plexiglasssurfaceishydrophobic,whichmakesthesurfaceforchemicaltreatmentdifficult.Inordertomaketheprocessbehindthesmoothconductoftheoilremovalprocessisessential,itcanberoughprocessbest;plexiglasssurfacesmooth,despitetheremovalprocessinfrontofthesurfacethereisnooilpollution,butthesmoothThesurfaceisunabletogetagoodcombinationofthecoating,andthereforetheneedforroughtreatment,thelossoftheoriginalshinysurface,auniformanddetailedhairsurface;sensitizationisaimedatnon-metallicsurfaceinordertoestablishapreciousmetalsasthecoreCentrepreparedbytheconditions,so-reducingagentoragentshave,duringactivationprocess,takingintoaccounttheactivationofthediversityofways,thisexperimentusedseveralmethodstotesttheoptimalchoiceofprogrammes.Pretreatedwithastabilizingagent,bufferandcomplexingagentwiththeuseofthelow-temperatureacidicchemicalplatingmethods,intheplexiglasssurfacebynickel.Theprocesshasdepositedalowtemperature(60~70)℃,platingrate,bathstabilityandsoon.Theresultsshowedthat:thecoatingandsubstratecombinationofgoodwearresistance,corrosionresistancegood.

Keyword:plexiglass,pretreatment,chemicalplating,nickelcoating.目錄1前言 12化學鍍鎳的基本原理 23試驗材料和方法 33.1試驗材料 33.2試驗方法 33.2.1工藝流程 33.2.2化學鍍鎳鍍液穩定性的測定 53.2.3化學鍍鎳的主要技術指標 63.2.4正交試驗設計及評價依據 63.2.5化學鍍鎳溶液組成及配方 63.2.6試驗步驟 104試驗結果與分析 114.1各工藝條件對化學鍍層的影響 114.1.1鍍液溫度的影響 114.1.2pH值的影響 124.1.3施鍍時間的影響 124.2正交試驗結果與分析 124.3鍍層質量分析 165結論 16致謝 16參考文獻 171前言化學鍍鎳技術是采用金屬鹽和還原劑，在材料表面上發生自催化反應獲得鍍層的方法。化學鍍與電鍍相比具有許多優點：以往煤礦綜采支架上用的立柱、千斤頂、油缸的防腐均采用鍍鉻及鍍鋅，由于受幾何形狀的影響，只能對活塞桿、活塞、導向套等簡單部件進行電鍍，稍微復雜一點的內孔、溝槽就很難采用電鍍的方法來解決防腐問題，且鍍液廢水對環境污染嚴重。化學鍍鎳在以往煤礦綜采支架油缸上還未使用過，也不敢輕易變更防腐工藝。通過實際考察和檢驗，該方法完全可行，只要對產品鍍層的質量嚴格控制，完全能保證產品的使用性能。經該工藝處理后的金屬表面為非晶態鍍層，有許多優良性能[1-3]：（1）均鍍、深鍍能力強。（2）硬度高。鍍層硬度在鍍態時為HV500～600，經不同溫度不同保溫時間的熱處理后，鍍層的硬度可達HV1100，可與堆焊硬化層、陶瓷相媲美。（3）耐磨性能好。在無潤滑條件下，鍍層對鋼的摩擦系數為0.38。（4）耐蝕性能好。由于鍍層為非晶態結構，消除了晶態合金中的晶界、位錯及偏析等缺陷，進一步改善了合金的耐蝕性能。（5）結合力強。鍍層與金屬的結合力非常好，一般在低碳鋼上為343～412MPa，在不銹鋼上為156～196MPa，鍍層熱處理后可進一步提高結合力。（6）良好的可焊性。（7）具有電磁波屏蔽性能，當鍍層中的磷含量達到12%以上，鍍層是非磁性的，屏蔽效果很好。（8）大規模應用成本低、操作簡便、具有清潔生產的環境效應。80年代，歐美等工業化國家在化學鍍技術的研究，開發和應用得到了飛躍發展，平均每年有15–20%表面處理技術轉為使用化學鍍技術，使金屬表面得到更大的發展，并促使化學鍍技術進入成熟時期。為了滿足復雜的工藝要求，解決更尖端的技術難題，化學鍍技術不斷發展，引入多種合金鍍層的化學復合技術，即三元化學鍍或多元化學鍍技術，得到了一些成果。例如在Ni-P(鎳—磷)鍍層中，引入PTFE的復合鍍層比單一的Ni-P鍍層有更佳的耐磨性及自潤滑性能；在Ni-P(鎳—磷)鍍層中引入金屬鎢，使到Ni-W-P(鎳—鎢—磷)鍍層進一步提高硬度[4]，在耐磨性能方面得到很好的效果；有Ni-P(鎳—磷)鍍層中引入銅，使Ni-Cu-P鍍層較好的耐蝕性能；還有Ni-Fe-p(鎳—鐵—磷)、Ni-Co-p(鎳—鈷—磷)、Ni-Mo-p(鎳—鉬—磷)等鍍層在電腦硬碟及磁聲記錄系統中及感測器薄膜電子方面得到廣泛的應用[5]。化學鍍技術由于工藝本身的特點和優異性能，用途相當廣泛。中國在80年代才開始在化學鍍方面進行探討，國家在1992年分布了國家標準（GB/T13913—92），稱之為自催化鎳—磷鍍層。中國已將化學鍍技術廣泛用在汽車工業、石油化工行業、機械電子、紡織、印刷、食品機械、航空航太、軍事工業等各種行業，由于電子電腦、通訊等高科技產品的應用和迅速發展，為化學鍍提供了廣闊的市場。2000年以后，一方面由于國家注重環保，另一方面中國的工業發展了對金屬表面處理要求提高了，加快了化學鍍這一技術的發展，國家的高新技術目錄也新增了化學鍍。化學鍍雖然在中國的起步比較晚，但近年發展相當快，有些性能的技術指標完全可以與歐美的化學鍍比美，加上價格低、適應中國企業的工藝流程，發展前景備受注目。目前中國化學鍍研究在北方，推廣應用主要在廣東。在廣東應用化學鍍的企業占全國三分之一以上，其中一些上規模的企業，具有技術抗衡，同時價格具有相當的竟爭力。正是由于化學鍍鎳層上述的諸多優點，本文主要通過在碳鋼表面進行化學鍍鎳。碳鋼是含碳量小于1.35%，除鐵、碳和限量以內的硅、錳、磷、硫等雜質外，不含其他合金元素的鋼。碳鋼的性能主要取決于含碳量。含碳量增加，鋼的強度、硬度升高，塑性、韌性和可焊性降低。與其他鋼類相比，碳鋼使用最早，成本低，性能范圍寬，用量最大。在碳鋼表面化學鍍鎳是提高碳鋼綜合性能的一種有效方法,不但可以有效提高碳鋼表面的硬度、耐磨和耐蝕性，還可以改善碳鋼表面的某些工藝性能，如釬焊性、可拋光性等。目前,雖然碳鋼已在很多領域取得了廣泛的應用，但是由于鋼中含碳量增加，屈服點和抗拉強度升高，使其塑性和沖擊性降低；當碳量0.23%超過時，鋼的焊接性能變壞；碳量高還會降低鋼的耐大氣腐蝕能力；此外，碳能增加鋼的冷脆性和時效敏感性。由于碳鋼的這些特點使得碳鋼在某些領域(如電子電器等)的應用受到了很大的限制，如何提高碳鋼表面的耐腐蝕性就成為當今碳鋼表面處理技術研究的一個熱點。目前以次亞磷酸鈉作為還原劑的化學鍍鎳溶液應用的最廣，其中采用酸性鍍液沉積速度快，可以獲得耐腐蝕性好的鍍層。這類鍍液一般含有4—7g/L鎳離子，15—35g/L的次亞磷酸鈉，PH值4.6—5.2，溫度88—95℃，因此本文采用酸性化學鍍鎳工藝對提高碳鋼表面耐腐蝕性能的研究。2化學鍍鎳的基本原理碳磷化學鍍鎳的基本原理是以此亞磷酸鹽為還原劑，將鎳鹽還原成鎳，因此使鎳層中含有一定的磷。沉淀的鎳膜具有自催化性，可使反應自動進行下去。關于Ni—P化學鍍的具體反應機理，目前尚無統一認識，現在為大多數人所接受的是原子氫態理論[7-9]：（1）鍍液在加熱時，通過次亞磷酸鹽在水溶液中脫氫，而形成亞磷酸根，同時放出初生態原子氫，即：H2PO2-+H2O→HPO32-+H++2[H]（1）（2）初生態的原子氫吸附催化金屬表面而使之活化，使鍍液中的鎳陽離子還原，在催化金屬表面上沉積金屬鎳，即：Ni2++2[H]→Ni0+2H+（2）（3）隨著次亞磷酸根的分解，還原成磷，即：H2PO2-+[H]→P+H2O+OH-（3）（4）鎳原子和磷原子共同沉積而形成Ni—P固溶體。由此得出，其基本原理是通過鎳液中的離子還原，同時伴隨著次亞磷酸鹽的分解而產生磷原子進入鍍層，形成過飽和的Ni—P固溶體。3試驗材料和方法3.1試驗材料本次實驗所采用的主要試劑有：硫酸鎳、硫酸鎘、十二烷基磺酸鈉、蘋果酸、丁二酸、次亞磷酸鈉、復合穩定劑及復合絡合劑。本次實驗所用施鍍基體材料:碳鋼試片；本次實驗要用到的儀器有：BT-B電子天平（可以方便的測出所用的化學藥品的重量，精度為0.01g）；PHB系列筆型pH計；DZKW-D-2型電熱恒溫水浴鍋（提供實驗時所要求的溫度）一列二孔；數顯千分尺（精度為0.001mm）。3.2試驗方法3.2.1工藝流程本文采用的工藝流程為:機械除油除銹→水洗→化學除油→水洗→酸洗（除銹）→水洗→酸性化學鍍鎳→水洗→烘干。（1）機械除油除銹一般的工件表面都有油污和銹蝕,大量油污可用干布擦凈,銹蝕的部位用水砂紙打磨。有的工件表面有銹皮、焊渣、舊漆層等，則需進行機械拋光、振光或噴砂處理。（2）化學除油①除油液配方：氫氧化鈉20g/L碳酸鈉30g/L磷酸鈉30g/LOP-101g/②工藝條件：溫度：60-80℃時間：3-5分鐘（3）酸洗①酸洗液配方：30%稀鹽酸（體積比）①工藝條件：溫度：室溫時間：15-30分鐘（4）酸性化學鍍液成分分析為了保證化學鍍鎳的質量，必須始終保持鍍浴的化學成分、工藝技術參數在最佳范圍（狀態）。1）Ni2+濃度鍍液中鎳離子濃度常規測定方法是用EDTA絡合滴定,紫脲酸胺為指示劑。①試劑：濃氨水（密度：0.91g/mL）。紫脲酸胺指示劑（紫脲酸胺：氯化鈉=1：100）。EDTA溶液0.05mol，按常規標定。②分析方法：用移液管取出10mL冷卻后的化學鍍鎳液于250mL的錐形瓶中，并加入100mL蒸餾水、15mL濃氨水、約0.2g指示劑，用標定后的EDTA溶液滴定，當溶液顏色由淺棕色變至紫色即為終點。③鎳含量的計算：CNi2+=5.87M·V(g/L)式中M—標準EDTA溶液的摩爾濃度；V—耗用標準EDTA溶液的毫升數。2）還原劑濃度次亞磷酸鈉NaH2PO2·H2O濃度的測定：其原理是在酸性條件下，用過量的碘氧化次磷酸鈉，然后用硫代硫酸鈉溶液反滴定自剩余的碘，淀粉為指示劑。①試劑： 鹽酸1：1；碘標準溶液0.1mol按常規標定。淀粉指示劑1%；硫代硫酸鈉0.1mol按常規標定。②分析方法：用移液管量取冷卻后的鍍液5mL于帶蓋的250mL錐形瓶中；加入鹽酸25mL碘標準溶液于此錐形瓶中，加蓋，置于暗處0.5h（溫度不得低于25℃）；打開瓶蓋，加入1mL淀粉指示劑，并用硫代硫酸鈉標準溶液滴定至藍色消失為終點。③計算：CNaH2PO2·H2O=10.6(2M1V1－M2V2)(g/L)（4）式中M1—標準碘溶液的摩爾濃度；V1—標準碘溶液毫升數；M2—標準硫代硫酸鈉溶液的摩爾濃度；V2—耗用標準硫代硫酸鈉溶液毫升數。3）NaHPO3·5H2O的濃度化學鍍鎳浴還原劑反應產物中影響最大的是次亞磷酸鈉的反應產物亞磷酸鈉。其他種類的還原劑的反應產物的影響較小甚至幾乎無影響，如DMAB。其測定原理是在堿性條件下，用過量的碘氧化亞磷酸鈉，但次亞磷酸鈉不參加反應；然而，用硫代硫酸鈉反滴定剩余的碘，淀粉為指示劑。①試劑：碳酸氫鈉溶液5%；醋酸98%；其余試劑同前。②分析方法：用移液管量取冷卻后的鍍液5ml于250mL的錐形瓶中（可視NaHPO3含量多少決定吸取鍍液體積），加入蒸鎦水40mL。加入碳酸氫鈉溶液50mL，使用移液管量取40mL標準碘溶液于錐形瓶中，加蓋，放置暗處1h。開啟瓶蓋，滴加醋酸至PH<4，搖勻，用硫代硫酸鈉滴定至溶液呈淡黃色，加入淀粉試劑1mL，繼續滴定至藍色消失1min即為終點。③計算：CNaHPO3=12.6(2M1V11－M2V2)(g/L)（5）式中M1—標準碘溶液的摩爾濃度；V1—標準碘溶液毫升數；M2—標準硫代硫酸鈉溶液的摩爾濃度；V2—耗用標準硫代硫酸鈉溶液毫升數。3.2.2化學鍍鎳鍍液穩定性的測定取試驗化學鍍鎳液50mL，盛于100mL的試管中，浸入已經恒溫至60±1℃的水浴中，注意使試管內溶液面低于恒溫水浴液面約2cm。半小時后，在攪拌下，使用移液管量取濃度為100×10-6的氯化鈀溶液1mL于試管內。記錄自注入氯化鈀溶液至試管內，化學鍍浴開始出現混濁（沉淀）所經歷的時間，以秒表示。這是一種測定化學鍍鎳浴穩定性的加速試驗方法，可作為鑒別不同化學鍍鎳浴穩定性時的參考；亦可用于化學鍍鎳浴在使用過程中穩定性的監控，如果上述試驗出現混濁時間明顯加快，說明化學鍍鎳浴處于不穩定狀態。3.2.3化學鍍鎳的主要技術指標（1）鍍層厚度10-60μm（2）硬度HV550-1100（相當于HRC55～72）（3）結合強度大于15kg/mm（4）耐腐蝕性能大大優于不銹鋼。3.2.4正交試驗設計及評價依據在已確定化學鍍鎳主配方的基礎上，為了進一步提高化學鍍液的穩定性，改善鍍層性能以及提高鍍速，本次試驗采用正交試驗法優選出一組新型四元復合劑。該復合劑包括十二烷基磺酸鈉、蘋果酸、丁二酸、硫酸鎘作為正交試驗的四個因素進行4因素×3水平正交試驗,即L9（34）,各因素和水平設計見表1。正交試驗主要評價依據為碳鋼在鍍鎳過程中的反應速度來進行具體評價。表1正交試驗因素水平表水平因素（g/L)硫酸鎘十二烷基磺酸鈉蘋果酸丁二酸10.00050.0255520.001250.05101030.0020.07515153.2.5化學鍍鎳溶液組成及配方（1）化學鍍鎳溶液組成及其作用為了使鍍液穩定，鍍速適當及鍍層質量優良，在化學沉積鎳磷合金的過程中，除了需要及時地補充所消耗的主鹽外，還需要在鍍液中加入適量的絡合劑、穩定劑、緩沖劑、促進劑、穩定劑、光亮劑、潤濕劑等。1）主鹽化學鍍鎳溶液中的主鹽就是鎳鹽，如硫酸鎳、氯化鎳、醋酸鎳等，由它們提供化學鍍反應過程中所需要的鎳離子。早期曾用過氯化鎳做主鹽，但由于氯離子的存在不僅會降低鍍層的耐蝕性，還產生拉應力，所以目前已很少有人使用。同硫酸鎳相比用醋酸鎳做主鹽對鍍層性能是有益的。但因其價格昂貴而無人使用。其實最理想的鎳離子來源應該是次磷酸鎳，使用它不至于在鍍浴中積存大量的硫酸根，也不至于在使用中隨著補加次磷酸鈉而帶入大量鈉離子，同樣因其價格因素而不能被工業化應用。目前應用最多的就是硫酸鎳，由于制造工藝稍有不同而有兩種結晶水的硫酸鎳。因為硫酸鎳是主鹽，用量大，在鍍中還要進行不斷的補加，所含雜質元素會在鍍液的積累，造成鍍液鍍速下降、壽命縮短，還會影響到鍍層性能，尤其是耐蝕性。所以在采購硫酸鎳時應該力求供貨方提供可靠的成分化驗單，做到每個批量的質量穩定，尤其要注意對鍍液有害的雜質尤其是重金屬元素的控制。2）還原劑用得最多的還原劑是次磷酸鈉，原因在于它的價格低、鍍液容易控制，而且合金鍍層性能良好。次磷酸鈉在水中易于溶解，水溶液的pH值為6。是白磷溶于NaOH中，加熱而得到的產物。目前國內的次磷酸鈉制造水平很高，除了國內需求外還大量出口。3）絡合劑化學鍍鎳溶液中除了主鹽與還原劑以外，最重要的組成部分就是絡合劑。鍍液性能的差異、壽命長短主要取決于絡合劑的選用及其搭配關系。

絡合劑的第一個作用就是防止鍍液析出沉淀，增加鍍液穩定性并延長使用壽命。如果鍍液中沒有絡合劑存在，由于鎳的氫氧化物溶解度較小，在酸性鍍液中便可析出淺綠色絮狀含水氫氧化鎳沉淀。硫酸鎳溶于水后形成六水合鎳離子，它有水解傾向，水解后呈酸性，這時即析出了氫氧化物沉淀。如果六水合鎳離子中有部分絡合劑存在則可以明顯提高其抗水解能力，甚至有可能在堿性環境中以鎳離子形式存在。不過，pH值增加，六水合鎳離子中的水分子會被OH根取代，促使水解加劇，要完全抑制水解反應，鎳離子必須全部結合以得到抑制水解的最大穩定性。鍍液中還有較多次磷酸根離子存大，但由于次磷酸鎳溶液度較大，一般不致析出沉淀。鍍液使用后期，溶液中亞磷酸根聚集，濃度增大，容易析出白色的NiHPO3.6H2O沉淀。加入絡合劑以后溶液中游離鎳離子濃度大幅度降低，可以抑制鍍液后期亞磷酸鎳沉淀的析出。

絡合劑的第二個作用就是提高沉積速度，加絡合劑后沉積速度增加的數據很多。加入絡合劑使鍍液中游離鎳離子濃度大幅度下降，從質量作用定律看降低反應物濃度反而提高了反應速度是不可能的，所以這個問題只能從動力學角度來解釋。簡單的說法是有機添加劑吸附在工件表面后，提高了它的活性，為次磷酸根釋放活性原子氫提供更多的激活能，從而增加了沉積反應速度。絡合劑在此也起了加速劑的作用。

能應用于化學鍍鎳中的絡合劑很多，但在化學鍍鎳溶液中所用的絡合劑則要求它們具有較大的溶解度，存在一定的反應活性，價格因素也不容忽視。目前，常用的絡合劑主要是一些脂肪族羧酸及其取代衍生物，如丁二酸、檸檬酸、乳酸、蘋果酸及甘氨酸等，或用它們的鹽類。在堿浴中則用焦磷酸鹽、檸檬酸鹽及銨鹽。不飽和脂肪酸很少使用，因不飽和烴在飽和時要吸收氫原子，降低還原劑的利用率。而常見的一元羧酸如甲酸、乙酸等則很少使用，乙酸常用作緩沖劑，丙酸則用作加速劑。4）穩定劑化學鍍鎳溶液是一個熱力學不穩定體系，由于種種原因，如局部過熱、pH值提高，或某些雜質影響，不可避免的會在鍍液中出現一些活性微粒—催化核心，使鍍液發生激烈的均向自催化反應，產生大量Ni—P黑色粉末，導致鍍液短期內發生分解，逸出大量氣泡，造成不可挽救的經濟損失。這些黑色粉末是高效催化劑，它們具有極大的比表面積與活性，加速了鍍液的自發分解，幾分鐘內鍍液將報廢生效。穩定劑的作用就在于抑制鍍液的自發分解，使施鍍過程在控制下有序進行。穩定劑是一種毒化劑，即毒性催化劑，只需加入痕量就可以抑制鍍液自發分解。穩定劑不能使用過量，過量后輕則減低鍍速，重則不再起鍍。大致把我們從前用的穩定劑分為四類：①第六主族元素S、Se、Te的化合物；②某些含氧化合物；③重金屬離子；④水溶性有機物。以上所說的是以次磷酸根作還原劑為例子，但其基本原理在胺基硼化物浴中同樣適用。但強堿性的硼氫化鈉浴及90℃溫度下，有些穩定劑往往會分解、沉淀而失效。另外，硝酸鉈還能增加較低溫度下鍍浴的沉積速度。鉈鹽能在Ni—B鍍層沉積，有時高達6%的含量。5）加速劑為了增加化學鍍的沉積速度，在化學鍍鎳溶液中還加入一些化學藥品，它們有提高鍍速的作用而被稱為加速劑。加速劑的作用機理被認為是還原劑次亞磷酸根中氧原子可以被一種外來的酸根取代形成配位化合物，或者說加速劑的陰離子的催化作用是由于形成了雜多酸所致。在空間位阻作用下使H-P鍵能減弱，有利于次磷酸根離子脫氫，或者說增加了次磷酸的活性。實驗表明，短鏈飽和脂肪酸的陰離子及至少一種無機陰離子，有取代氧促進次磷酸根脫氫而加速沉積速度的作用。化學鍍鎳中許多絡合劑即兼有加速劑的作用。6）緩沖劑化學鍍鎳過程中由于有氫離子產生，使溶液pH值隨施鍍進程而逐漸降低，為了穩定鍍速及保證鍍層質量，化學鍍鎳體系必須具備PH值緩沖能力，也就是說使之在施鍍過程中pH值不至于變化太大，能維持在一定pH值范圍內的正常值。某些弱酸（或堿）與其鹽組成的混合物就能抵消外來少許酸或堿以及稀釋對溶液pH值變化的影響，使之在一個較小范圍內波動，這種物質稱為緩沖劑。緩沖劑緩沖性能好壞可用pH值與酸濃度變化圖來表示，酸濃度在一定范圍內波動而pH值卻基本不變的體系緩沖性能好。化學鍍鎳溶液中常用的一元或二元有機酸及其鹽類不僅具備絡合鎳離子的能力，而且具有緩沖性能。在酸性鍍浴中常用的HAC-NaAC體系就有良好的緩沖性能，但醋酸根的絡合能力卻很小，它一般不做絡合劑用。7）其它組份與電鍍鎳一樣，在化學鍍鎳溶液中加入少許的表面活性劑，它有助于氣體的逸出、降低鍍層的孔隙率。另外，由于使用的表面活性劑兼有發泡劑作用，施鍍過程中在逸出大量氣體攪拌情況下，鍍液表面形成一層白色泡沫，它不僅可以保溫、降低鍍液的蒸發損失、減少酸味，還使許多縣浮的臟物夾在泡沫中而易于清除，以保持鍍件和鍍液的清潔。表面活性劑是這樣一類物質，在加入很少量時就能大幅度地降低溶劑的表面張力、界面張力，從而改變體系狀態。在固—液界面上由于固體表面上原子或分子的價鍵力是未飽和的，與內部原子或分子比較能量相對較高，尤其金屬表面是屬于高能表面之列，它與液體接觸時表面能總是減小的。換句話說，金屬的固—氣界面很容易被固—液界面代替（潤濕定義就是固體表面吸附的氣體為液體取代）。（2）化學鍍鎳溶液工藝及配方化學鍍鎳鍍液主要由金屬鹽、還原劑、pH值緩沖劑、穩定劑和絡合劑等組成。鎳鹽用得最多的是硫酸鹽，還有氯化物或者乙酸鹽。還原劑主要是亞磷酸鹽、硼氫化物等。pH值緩沖劑和絡合劑通常采用的是氨或氯化銨等。次亞磷酸鈉作為還原劑的化學鍍鎳是目前使用最多的一種。其反應的機理如下：在酸性環境：Ni4++H2PO2-+H2O→Ni+H2PO3-+2H+（6）在堿性環境：[NiXn]2++H2PO2-+3OH-→Ni+HPO32-+nX+2H2O（7）磷的析出反應如下:H2PO2-+2H+→P+2H2O（8）2H2PO2+→P+HPO32-+H++H2O（9）H2PO2-+4H+H+→PH3+H2O（10）在酸性環境里，可以用只含鎳離子和次亞磷酸鹽的溶液進行化學鍍鎳。但是為了使工藝穩定，必須加入緩沖劑和絡合劑。因為化學鍍鎳過程中生成的氫離子使反應速度下降，乃至停止。常用的有醋酸鹽緩沖體系，也有用檸檬酸鹽、乳酸鹽等。絡合物可以在鍍液的pH值增高時也保持其還原能力。酸性體系里的絡合劑多數采用的是乳酸、檸檬酸、羥基乙酸及其鹽。有機添加劑對鎳的還原速度有很大影響，其中許多都是反應的加速劑，如丙二酸、丁二酸、氨基乙酸、丙酸以及氟離子。但是，添加劑也會使沉積速度下降，特別是穩定劑，會明顯降低沉積速度。在配制化學鍍鎳鍍液時一定要注意所用的化學原料最好用化學純以上的材料，如果采用工業級材料，一定要先將不含還原劑的部分先溶解，例如主鹽、絡合劑等，然后加溫，再加入活性炭進行處理，過濾后再加入也經過過濾處理的還原劑等。即使是用化學純配制，也要將還原劑與主鹽溶液分開溶解，最后才混合。并注意配制時所用容器的干凈問題，就是不能有金屬雜質或活化性化合物殘留在容器內，避免在工作時引發自催化反應而使鍍液失效。配制完成后，不要急于調pH值，而是在化學鍍之前再調pH值。本次試驗采用的是正交試驗法，共需9組試驗，下表2中列出了本次試驗所需要化學鍍鎳液的配方：表2化學鍍液工藝及配方工藝及成分123456789硫酸鎳33g次亞磷酸鈉30g復合穩定劑20g復合絡合劑47g溫度88—95PH值4.6—5.0硫酸鎘0.0005—0.002g/L蘋果酸5—15g/L十二烷基磺酸鈉0.025—0.075g/L丁二酸5—15g/L3.2.6試驗步驟（1）現將9塊碳鋼試樣進行機械除油除銹，然后水洗，風干。（2）將處理后的試樣放入氫氧化鈉、碳酸鈉、磷酸鈉組成的配方進行化學除油10分鐘左右。如果一次除油不徹底，應用水沖洗后再浸入除油液中，如此反復操直至油除凈為止。油除凈的標準是基體表面達到完全潤濕狀態，能形成均勻水膜，無掛珠水洗。（3）將試樣放入30%的稀鹽酸溶液里進行酸洗15-30分鐘，酸洗后要求工件表面無銹。然后將試樣水洗，風干。（4）將試樣放入10%的硫酸中進行活化，一般要求當工件表面有大量細小均勻氣泡溢出時停止活化。然后將試樣進行水洗，風干；然后用數顯千分尺測量碳鋼試樣反應前的厚度，并記錄下數據。（5）配制酸性化學鍍鎳溶液：1）先在1燒杯中加入乳酸21g/L，再加入50mL的蒸餾水，均勻攪拌溶液，待乳酸稀釋后再加入26g/L的檸檬酸，再次用玻璃棒攪拌直到檸檬酸顆粒完全溶解2）在另一燒杯2中加入50mL蒸餾水，然后加入33g/L的硫酸鎳。用玻璃棒均勻攪拌，當硫酸鎳完全溶解后將其倒入1燒杯中。3）先加入醋酸5g/L，然后加入50mL蒸餾水，待醋酸稀釋后再加入15g/L醋酸鈉，用玻璃棒攪拌待醋酸鈉完全溶解后加入硫酸鎘、十二烷基酸鈉、蘋果酸及丁二酸這四種因素，待溶液完全溶解后倒入（6）將1燒杯中的化學鍍鎳液放入電熱恒溫水浴鍋中進行加熱，由于該試驗采用的是酸性化學鍍鎳配方，測得其PH值在1.8—2.0左右，但該試驗所需PH值為4.6—5.0，需加入氨水來調節化學鍍鎳溶液的PH值，使其達到5.0左右。當溫度達到88℃以上時，把經過處理后的試樣放入化學鍍鎳液中進行鍍鎳，反應時間為2小時，每隔10鐘觀察其溫度及PH值的變化情況。（7）2小時后將經過鍍鎳后的碳鋼試樣從鍍液里取出，并用清水沖洗干凈。風干后用數顯千分尺測量試樣鍍后的厚度。（8）用反應后試樣的厚度減去反應前試樣的厚度得到的差值除以4，就是碳鋼在鍍鎳過程中的反應速度。（9）試驗結束，下面通過正交試驗來分析試驗結果。4試驗結果與分析4.1各工藝條件對化學鍍層的影響4.1.1鍍液溫度的影響溫度是影響化學動力學的重要參數[10-11]。在化學鍍液中,它不僅是影響鍍速的重大因素,還是影響鍍液穩定性的重要因素。溫度對鍍速及穩定常數的影響如圖1所示。可以看出,溫度升高,鍍速呈直線上升,而穩定性呈逐漸下降。對于酸性鍍液,溫度小于60℃,鍍速太慢；溫度大于95℃時,會導致鍍液蒸發速度加快,鍍液的穩定性急劇下降。因此,施鍍溫度最佳范圍在88℃—95℃,最佳值為90±2℃，另外,施鍍溫度的均勻性也對鍍液的穩定性有較大影響,如果局部過熱,會在溫度高的區域產生自反應,進而會導致鍍液分解。此外，化學鍍過程中溫度波動太大，會形成磷含量不同的層狀鍍層，從而降低鍍層的結合力。圖1溫度對鍍速和穩定常數的影響4.1.2pH值的影響pH值對鍍速及穩定常數的影響如圖下頁圖2所示。可以看出，pH值升高，鍍速幾乎呈線性增長，當pH值大于5.5時，鍍速增長已趨平緩。從化學鍍鎳總反應式可知，沉積1molNi2+產生4molH+，鍍液H+增加，pH值必下降。因此，pH值高，必將有更多的OH-和H+使反應平衡向正方向移動，導致鍍速加快，而氯化鈀實驗結果和穩定常數都隨pH值升高而下降。pH值越高，鍍液越不穩定。因此最佳的PH值范圍在4.6—5.0。圖2pH值對鍍速和穩定性常數的影響4.1.3施鍍時間的影響有效化學鍍時間太短，鍍層達不到一定的厚度，鍍層的強度下降。實驗發現，如果有效化學鍍時間太短，即使鍍液的溫度較低，拿出晾干時，鍍層也會起皺，這是因為有機玻璃表面的熱膨脹系數相對鎳-磷鍍層小得多，鍍層從高溫鍍液拿出到室溫會產生拉應力所致；足夠厚度的鍍層，從鍍液中直接拿出，吸取表面鍍液然后自然晾干，或用自來水輕輕沖洗后的鍍層仍然完整，結合力較好。本文施鍍2h，得到的鍍層均光亮，平整，結合力較好。4.2正交試驗結果與分析本次試驗有四個因素，每個因素都有三個水平，如果每個因素的每個水平都相互配合著進行全面試驗必須做試驗34=81次。進行81次試驗要花費很多時間，耗費不少的人力物力，我們想要減少試驗次數，但又不能影響試驗的結果。因此不能隨便地減少試驗，應該有代表性的搭配保留下來。為此，我們將從81個試驗中選出9個，這9個試驗中各因素的每個水平的搭配都是均衡的，每個因素的每個水平都做了3次試驗；每兩個因素的每一種水平都做了一次試驗。從這9個試驗結果就可以分析清楚每個因素對試驗指標的影響。碳鋼化學鍍鎳正交試驗[12]的結果分析見表2，并且設4個因素硫酸鎘、十二烷基磺酸鈉、蘋果酸、丁二酸分別為A、B、C、D；設碳鋼試樣鍍前的厚度為S1，鍍后的厚度為S2,鍍速為，平均鍍速為。表2碳鋼化學鍍鎳正交試驗結果序號四因素數據ABCDS1（mm）S2（mm）(μm/h)111116.3566.3847212226.7176.77013.25313336.6586.6979.75421236.6886.76118.25522316.6366.69113.75623126.6496.69411.25731326.6346.68713.25832136.6086.67817.5933216.6466.70915.75K13038.535.7536.5T=119.75=T=13.31K43.2544.547.2537.75K346.536.7536.7545.5注：k=A—D（指四因素）上表中須計算的數值詳細計算過程如下：已知每組試驗反應兩小時，即t=2h，則由=(S2-S1)/2t（11）得，1=7，2=13.25，3=9.75，4=18.25，5=13.75，6=11.25，7=13.25，8=17.5，9=15.75；第1列中,A1=1+2+3=30；A2=4+5+6=43.25；A3=7+8+9=46；第2列中，B2=1+4+7=38.5；B2=2+5+8=44.5；B2=3+6+9=36.75；第3列中，C3=1+6+8=35.75；C3=2+4+9=47.25；C3=3+5+7=36.75；第4列中,D4=1+5+9=36.5；D4=2+6+7=37.75；D4=3+4+8=45.5；T=K1+K2+K3==119.75；（12）公式中T代表9次試驗的總鍍速；則平均鍍速為：=T=13.31；(13)從正交試驗結果可以看出：9個試驗中鍍速最高的最優方案是：A2B1C2D3,正交試驗總共有43=81次實驗，我們只做了9次，還有72次試驗沒有做。在剩余的試驗中可能會出現更好的方案。下面通過效應分析法[13]來分析正交試驗的最優方案:1)正交設計的數據結構由于本實驗為四因素3水平，其數學模型為：Xijkl=+i+j+k+1+ijkl；=0；=0；=0；=0；ijkl~N(0,2)，且相互獨立。按9個試驗分別寫出有：X1=+1+1+1+1+1；X2=+1+2+2+2+2；X3=+1+3+3+3+3；X4=+2+1+2+3+4；X5=+2+2+3+1+5；X6=+2+3+1+2+6；X7=+3+1+3+2+7；X8=+3+2+1+3+8；X9=+3+3+2+1+9；這里，1、2、3表示因素A的效應，1、2、3表示因素B的效應,1、2、3表示因素C效應，1、2、3表示D的效應。2)正交試驗中的效應計算采用小二乘法分析，可得出相應的效應值，其公式分別為：i=i-；（14）j=j-；（15）k=k-；（16）j=l-；（17）由上面公式可得：A的效應估計值為：1=1-=30/3-13.31=-3.31；2=2-=43.25/3-13.31=1.11；3=3-=46.5/3-13.31=2.2；B的效應估計值為：1=1-=38.5/3-13.31=-0.48；2=2-=44.5/3-13.31=1.52；3=3-=36.75/3-13.31=-0.48；C的效應估計值為：1=1-=35.75/3-13.31=-1.39；2=2-=47.25/3-13.31=2.44；3=3-=36.75/3-13.31=-1.06；D的效應估計值為：1=1-=36.5/3-13.31=-1.43；2=2-=37.75/3-13.31=-0.72；3=3-=45.5/3-13.31=1.86；從效應的大小可以確定影響大小的主次順序為：C、A、D、B，選取最優方案以效應值大的好，所以應選C2A3D3B2。3)最優方案下指標值的預估計通過效應計算分析法算出最優方案為C2A3D3B2，C是最重要的因素，取C2；A是次重要因素，取A3；D是第三重要因素，取D3這時模型變成Xijkl=+i+k+1+ijkl；最優方案下的指標值的點估計為：優=+3+2+3。由于=，3=2.2，2=2.44，3=1.86則優=13.31+2.2+2.44+1.86=28.81通過預估計得到最優方案鍍速為28.81μm/h。4)驗證試驗由